Jak zaprojektować wzmacniacz tranzystorowy, uwzględniając straty mocy i zysk mocy sygnału?

Analiza mocy w wzmacniaczu tranzystorowym, szczególnie w kontekście mocy zmiennej i stałej, jest kluczowym zagadnieniem w projektowaniu układów wzmacniających. Wzmacniacz tranzystorowy to układ, w którym mały sygnał wejściowy przekształca się w większy sygnał wyjściowy, a zysk mocy sygnału jest wynikiem redystrybucji energii między obciążeniem a tranzystorem.

Rozważmy najpierw prosty obwód wzmacniacza wspólnego emiteru, w którym do wejścia podłączono idealne źródło napięcia sygnałowego. W tym przypadku, aby zrozumieć bilans mocy w układzie, ważne jest rozróżnienie między mocą dostarczoną przez źródło napięcia VCC, mocą rozpraszaną w oporniku kolektorowym PRC, a mocą rozpraszaną w samym tranzystorze PQ.

Wzory dla mocy dostarczanej przez źródło napięcia i mocach rozpraszanych przedstawiają się następująco:

• PCC = ICQ * VCC + PBias, gdzie PBias to moc rozpraszana w opornikach ustalających punkt pracy,

• PRC = I²CQ * RC, moc rozpraszaną w oporniku kolektorowym,

• PQ = ICQ * VCEQ + IBQ * VB EQ, gdzie IBQ to prąd bazy, a ICQ to prąd kolektora w punkcie pracy.

Dla układu wzmacniacza tranzystorowego, gdzie sygnał wejściowy opisany jest równaniem vs = Vp * cos(ωt), sumaryczny prąd bazy i kolektora zmienia się w sposób zależny od tego sygnału.

Moc średnia dostarczana przez źródło napięcia VCC w obecności sygnału zmiennego jest obliczana za pomocą całkowania wartości prądu kolektora w czasie, przy czym ze względu na właściwości funkcji cosinus, średnia moc dostarczana przez źródło napięcia VCC jest identyczna z mocą stałą, pomimo obecności sygnału zmiennego.

Średnia moc dostarczana do obciążenia, czyli moc przekazywana przez tranzystor do opornika kolektorowego, rośnie dzięki obecności sygnału. Wartość tej mocy obliczamy jako sumę mocy stałej oraz mocy sygnałowej, która jest wynikiem oscylacji prądu kolektora wywołanej sygnałem zmiennym.

Z kolei średnia moc rozpraszana w tranzystorze jest opisana równaniem:
p̄Q = ICQ * VCEQ − 1/2 * Ic² * RC. Z tego wynika, że moc rozpraszana w tranzystorze maleje, gdy sygnał zmienny jest obecny. Źródło napięcia VCC wciąż dostarcza całą moc, ale sygnał zmienia rozkład mocy między tranzystorem a obciążeniem.

Wszystkie te zależności pokazują, jak energia w obwodzie wzmacniacza jest rozdzielana i jak wprowadzenie sygnału zmiennego wpływa na rozkład mocy. Warto dodać, że podczas projektowania wzmacniaczy ważne jest, by uwzględnić straty mocy w obwodach zasilających i w samym tranzystorze. Używając odpowiednich parametrów tranzystora i dobierając właściwe oporniki, możemy zoptymalizować wydajność wzmacniacza i zminimalizować straty mocy.

Jak działa wzmacniacz transrezystancyjny w konfiguracji shunt-shunt?

Wzmacniacze transrezystancyjne w konfiguracji shunt-shunt stanowią jedno z kluczowych zagadnień w analizie obwodów wzmacniaczy z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Celem tego rozdziału jest zrozumienie działania takich wzmacniaczy zarówno w wersji opartej na wzmacniaczu operacyjnym, jak i tranzystorze dyskretnym. Istotnym aspektem tej konfiguracji jest to, że sygnał wejściowy to nie napięcie, a prąd, co wpływa na formę transferu sygnału i zależności między wielkościami elektrycznymi w obwodzie.

Podstawową cechą wzmacniaczy transrezystancyjnych jest to, że prąd wejściowy jest przekształcany na napięcie wyjściowe, a transfer funkcji w idealnym przypadku wyraża się równaniem:

gdzie $Az$ jest podstawowym wzmocnieniem transrezystancyjnym wzmacniacza, a $\beta_g$ to transfer sprzężenia zwrotnego. Z tego wzoru widać, że w idealnej konfiguracji sprzężenia zwrotnego obydwa współczynniki wzmocnienia, $Az$ oraz $\beta_g$, wpływają na wynikowy transfer, prowadząc do zmniejszenia zarówno oporności wejściowej, jak i wyjściowej w porównaniu z wartościami podstawowymi wzmacniacza.

Wzmacniacz operacyjny w konfiguracji shunt-shunt można analizować, traktując go jako klasyczny obwód inwertujący, jak przedstawiono na rysunku 12.33(a). Choć początkowo może się wydawać, że jest to wzmacniacz napięciowy, w rzeczywistości mamy do czynienia z wzmacniaczem transrezystancyjnym, którego sygnał wejściowy to prąd. Sygnał prądowy $\ I_i$ dzieli się na prąd sprzężenia zwrotnego $I_{fb}$ oraz prąd błędu $I_\varepsilon$, który jest różnicą między prądem wejściowym a prądem sprzężenia zwrotnego.

Dla idealnego wzmacniacza operacyjnego przy założeniu, że $V_1$ jest wirtualną masą, napięcie wyjściowe $V_o$ można wyrazić wzorem:

gdzie $R_2$ to rezystor w obwodzie, a $I_{fb} = I_i$ w przypadku idealnego wzmacniacza. W efekcie transfer funkcji transrezystancyjnej przy ujemnym sprzężeniu zwrotnym wynosi:

Wartości oporności wejściowej oraz wyjściowej w tym przypadku są bardzo małe, co wynika z charakterystyki konfiguracji shunt-shunt. Oznacza to, że obwód ten wykazuje bardzo małą wrażliwość na zmiany obciążenia i jest odporny na zmiany sygnału wejściowego.

Analizując obwód tranzystora dyskretnego w konfiguracji shunt-shunt, zauważamy, że sygnał wejściowy w postaci prądu $\ i_i$ jest przetwarzany przez tranzystor, a sprzężenie zwrotne zależy od napięcia wyjściowego. Taką konfigurację przedstawia rysunek 12.35, gdzie obwód tranzystora ma podobną strukturę do wzmacniacza operacyjnego, ale zawiera dodatkowe elementy związane z tranzystorem oraz rezystancjami w obwodzie.

Przy analizy tego układu, należy zwrócić uwagę na fakt, że przy dużym wzmocnieniu tranzystora $A_z = -h_F E R_C$, gdzie $h_F E$ to współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora, układ wykazuje podobne właściwości do wzmacniacza operacyjnego. Wartość funkcji transferu w tym przypadku będzie różna od idealnego przypadku, ale mimo to będzie odpowiadać wzorcowej formie, jeśli weźmiemy pod uwagę wszystkie aproksymacje.

Zatem wzmacniacz transrezystancyjny w konfiguracji shunt-shunt pozwala na uzyskanie wysokiej precyzji w przetwarzaniu sygnałów prądowych na napięciowe, szczególnie w przypadkach, gdy wymagana jest bardzo mała oporność wejściowa i wyjściowa. Jednak w rzeczywistych układach, takich jak tranzystorowe wzmacniacze dyskretne, należy uwzględnić wpływ wszystkich elementów obwodu, co może prowadzić do odchyleń od idealnych wyników.

Ważnym aspektem jest także to, że w praktyce zastosowanie sprzężenia zwrotnego w takich wzmacniaczach pozwala na stabilizację parametrów, takich jak wzmocnienie czy oporność, co jest szczególnie istotne w systemach wymagających wysokiej niezawodności. Jednak każdy układ ma swoje ograniczenia związane z właściwościami elementów, takich jak tranzystory czy rezystory, które mogą wpływać na dokładność działania.

Jak projektować obwody sprzężenia zwrotnego z tranzystorami MOSFET w układach analogowych?

W obwodach sprzężenia zwrotnego, część sygnału wyjściowego jest przekazywana z powrotem do wejścia i łączona z sygnałem wejściowym. W przypadku sprzężenia ujemnego, część sygnału wyjściowego jest odejmowana od sygnału wejściowego, co prowadzi do stabilizacji wzmocnienia oraz poprawy charakterystyk układu. Sprzężenie dodatnie, z drugiej strony, zwiększa wzmocnienie, ale może prowadzić do niestabilności układu.

Sprzężenie zwrotne w układach tranzystorowych, w tym w MOSFET-ach, ma szczególne znaczenie z racji jego zdolności do poprawy stabilności wzmocnienia oraz rozszerzania pasma przenoszenia. Jedną z kluczowych zalet tego rozwiązania jest niezależność wzmocnienia układu od parametrów poszczególnych tranzystorów, które, zwłaszcza w układach analogowych, mogą ulegać znacznym zmianom w wyniku procesów technologicznych, starzenia się komponentów czy zmian temperatury.

Na przykład, w obwodzie MOSFET z pętlą sprzężenia zwrotnego, zsumowanie prądów w węźle V1 prowadzi do równania:
$gm \cdot Vgs_1 + gm \cdot Vgs_2 = 0$,
co implikuje, że $Vgs_2 = -Vgs_1$, gdzie $gm$ oznacza transkonduktancję tranzystora, a $Vgs$ jest napięciem bramka-źródło. Tego typu zależności pozwalają na dokładniejsze zaprojektowanie układu i uzyskanie pożądanych charakterystyk wzmocnienia.

Analizując układ małosygnałowy, możemy wyprowadzić zależności dotyczące wzmocnienia w pętli sprzężenia zwrotnego. Przykładowo, dla układu z trzema tranzystorami MOSFET, równania dla napięć bramka-źródło w poszczególnych etapach są takie, że:
$Vgs_3 = -gm_3 \cdot Vgs_2 \cdot R_D - V_o$.
Podstawiając parametry tranzystorów i rezystorów, możemy wyliczyć wzmocnienie w zamkniętej pętli, które w tym przypadku wynosi 3,56. Zaletą tego rozwiązania jest to, że zmiana parametrów tranzystora o 10% powoduje jedynie nieznaczny spadek wzmocnienia, co ilustruje, jak ważną rolę pełni sprzężenie zwrotne w utrzymaniu stabilności układu.

Sprzężenie zwrotne jest więc szczególnie użyteczne, gdy zależy nam na zmniejszeniu wrażliwości wzmocnienia na zmiany parametrów tranzystorów. Na przykład, w przypadku spadku parametrów przewodzenia tranzystora o 10%, nowe wartości transkonduktancji zmieniają wzmocnienie jedynie o mniej niż 2%. To pokazuje, jak sprzężenie zwrotne może zwiększyć niezawodność i stabilność układu, nawet przy wahaniach parametrów technologicznych komponentów.

W przypadku projektowania układu sprzężenia zwrotnego w systemach analogowych, istnieją różne topologie sprzężenia. Możemy wyróżnić cztery podstawowe konfiguracje: wejście szeregowe, wejście równoległe, wyjście szeregowe i wyjście równoległe. Każda z tych konfiguracji ma swoje zastosowanie w zależności od charakterystyki sygnałów wejściowych i wyjściowych oraz rezystancji wejściowej i wyjściowej układu.

Wzrost pasma przenoszenia i poprawa stosunku sygnału do szumu to kolejne zalety sprzężenia zwrotnego. Jednym z efektów ubocznych jest jednak zmniejszenie wzmocnienia. Niemniej jednak, korzyści wynikające z poprawy stabilności oraz jakości sygnału często przewyższają te straty. W praktycznych aplikacjach, takich jak wzmacniacze operacyjne czy układy dyskretne, sprzężenie zwrotne pozwala na uzyskanie wzmocnienia, które jest praktycznie niezależne od zmieniających się parametrów tranzystorów, co jest kluczowe w długoterminowej pracy układu.

Współczesne techniki kompensacji częstotliwościowej, takie jak efekty mnożenia Millera, są wykorzystywane do stabilizacji układów z pętlą sprzężenia zwrotnego, zwłaszcza gdy uwzględniamy wpływ pojemności wejściowej tranzystorów. Kompensacja częstotliwościowa polega na odpowiednim doborze komponentów, które pozwalają na zminimalizowanie wpływu nieliniowości i poprawienie stabilności wzmocnienia.

Sprzężenie zwrotne ma również istotne zastosowanie w układach z tranzystorami MOSFET, gdzie właściwie zaprojektowane obwody mogą zapewnić wysoką jakość sygnału oraz stabilność parametrów wzmocnienia. W takich przypadkach, kluczowe jest nie tylko wyliczenie odpowiednich wartości transkonduktancji i rezystorów, ale także analiza wpływu różnych czynników zewnętrznych, takich jak zmiany temperatury czy wahania parametrów technologicznych tranzystorów.

Wszystkie te techniki i zależności stanowią fundament projektowania układów analogowych z użyciem sprzężenia zwrotnego, które znajduje szerokie zastosowanie w elektronice, w tym w systemach audio, telekomunikacyjnych oraz automatyce przemysłowej.

Jak działa podstawowy układ bramki logicznej ECL i jak zaprojektować układ z odpowiednimi parametrami?

Układ wzmacniacza różnicowego z tranzystorami Q1 i Q2, zastosowany w logice ECL, operuje na zasadzie pracy tranzystorów w aktywnym regionie. Jeśli napięcia wejściowe vX i vY są mniejsze od napięcia odniesienia VR o co najmniej 120 mV, wtedy oba tranzystory Q1 i Q2 zostaną odcięte, a tranzystor odniesienia Q_R przechodzi do pracy w aktywnym regionie. W takim przypadku napięcie wyjściowe vO1 będzie większe od vO2. Jeśli jedno z napięć wejściowych (vX lub vY) przekroczy próg VR, tranzystor Q_R zostanie odcięty, a napięcie wyjściowe vO2 stanie się większe od vO1. Taki układ umożliwia realizację funkcji logicznych OR i NOR. Główna zaletą bramek ECL jest dostępność wyjść komplementarnych, co eliminuje konieczność stosowania dodatkowych inwerterów.

Jednakże, w układzie przedstawionym na rysunku, napięcia wyjściowe różnią się od wymaganych wartości, ponieważ tranzystory ECL muszą działać pomiędzy regionem nasycenia a regionem aktywnym. To oznacza, że złącze baza-kolektor musi być odwrócone w każdym momencie pracy. Jeśli napięcie logiczne 1 na wyjściu miałoby wynosić VO_H = V+, jego zastosowanie na wejściu vX lub vY spowodowałoby włączenie tranzystora, co doprowadziłoby do obniżenia napięcia vO1 poniżej V+, a złącze baza-kolektor stałoby się spolaryzowane w kierunku przewodzenia, co wprowadzałoby tranzystor w stan nasycenia.

Aby rozwiązać ten problem, dodaje się układy emiterowe, które dostarczają wyjścia kompatybilne z wejściami podobnych układów logicznych. W takim układzie, jak na rysunku 17.4, wprowadza się emiterowe śledzenie na wyjściu OR/NOR, a napięcie zasilania V+ ustawia się na poziomie zerowym. Zmiana biegunowości napięć zasilających sprawia, że układ staje się mniej wrażliwy na zakłócenia. Wartością logiczną 1 jest w takim przypadku napięcie wyjściowe -0,7 V, a wartością logiczną 0 jest -1,4 V.

W kontekście projektowania układu, bardzo ważnym krokiem jest odpowiednie dobranie wartości rezystorów RC1 i RC2. Powinny one być tak zaprojektowane, aby zapewnić równowagę w układzie i uniknąć nasycenia tranzystorów Q1, Q2 i Q_R podczas ich pracy. Zbyt wysokie wartości rezystorów mogą prowadzić do ich wprowadzenia w stan nasycenia, co negatywnie wpływa na poprawność działania układu.

Równie istotne jest odpowiednie zaprojektowanie obwodu odniesienia VR, który pozwala na utrzymanie stabilnych wartości logicznych. Wartość VR jest ustawiana w połowie pomiędzy poziomami logicznymi 0 i 1, co w praktyce oznacza, że VR wynosi około -1,05 V. Dzięki temu uzyskujemy stabilność działania układu, a zmiana napięcia wejściowego powyżej lub poniżej tej wartości prowadzi do zmiany stanu logicznego układu.

Projektowanie takich układów wymaga precyzyjnych obliczeń, zwłaszcza przy doborze odpowiednich rezystorów i napięć, aby zapewnić właściwe działanie tranzystorów oraz uzyskać odpowiednie napięcia wyjściowe, które będą zgodne z wymaganiami logicznymi. Przy projektowaniu bramek ECL należy również wziąć pod uwagę, że różne tranzystory mogą mieć różne charakterystyki, co wymaga dostosowania wartości elementów obwodu, aby uzyskać symetryczne wyjścia.

Przy projektowaniu takich układów logicznych warto także zwrócić uwagę na zjawiska związane z tzw. "saturation" (nasycenie), które mogą wpływać na dokładność obliczeń oraz stabilność sygnałów. Należy także rozważyć zmniejszenie wpływu zakłóceń, szczególnie w układach o wysokich częstotliwościach pracy, gdzie nawet minimalne zmiany w napięciach mogą prowadzić do błędnych wyników logicznych.